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粉煤灰粒径对树脂基摩擦材料性能的影响

2022-03-18 来源:小奈知识网
2012年1月 润滑与密封 Jan.2012 第37卷第1期 LUBRICAT10N ENGINEERING V01.37 No.1 DOI:10.3969/j.issn.0254—0150.2012.01.012 粉煤灰粒径对树脂基摩擦材料性能的影响 王占红 侯贵华 王宏亮 唐正生 (1.盐城工学院材料工程学院江苏盐城224051;2.江苏省新型环保重点实验室江苏盐城224051) 摘要:采用热压成型的方法制备不同粒径粉煤灰增强酚醛树脂基摩擦材料,研究掺杂不同粒径粉煤灰后摩擦材料 的摩擦因数、磨损率和物理力学性能的变化情况,借助扫描电子显微镜观察摩擦材料的磨损表面微观形貌。研究表明: 随着粉煤灰颗粒粒径的减小,填充的摩擦材料密度逐渐增加,硬度、抗弯强度、最大应变均呈现出先减小后增加的趋 势;摩擦材料的摩擦因数变得较高且稳定,磨耗较低,当中位径小于等于4.70 Ixm时,粉煤灰增强效果比较好。 关键词:粉煤灰;树脂基摩擦材料;摩擦磨损 中图分类号:TH117.1:TB332 文献标识码:A 文章编号:0254—0150(2012)1—049—4 Effect 0f Grain Size of Fly Ash on Properties of Resin.based Friction Materials Wang Zhanhong Hou Guihua Wang Hongliang Tang Zhengsheng (1.School of Materials Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yaneheng Jiangsu 22405 1,China; 2.Key Laboratory of New Environmental Protection of Jiangsu Province,Yaneheng Jiangsu 22405 1,China) Abstract:Fly ash filled resin—based friction materials were prepared by heat・press molding method.The effects of grain size of fly ash on firction coefficient,wear rate,physical and mechanical properties of friction materials were studied.Mor- phologies of wear surfaces were observed by scanning electron microscopy.The results from show that with the decrease of rgain size fly ash,the density of the resin—based friction materials increases,the hardness,flexural strength and maximum strain first decrease and then increase,the friction coefficients becomes higher and more stable,the weal7 rate becomes low— er.The fly ash with grain size less than 4.70 I.Lm exhibits the optimum enhancement effect. Keywords:fly ash;resin.based friction materials;friction and weal" 树脂基摩擦材料是一种常见的摩擦材料,制备工 度(2 000~3 000 kg/m ),制备的材料比较轻。另 艺简单,成本较低,各项性能较优,但在高温下树脂 外,它是经过1 200℃的高温煅烧而形成的,因此, 易受热分解,使得摩擦材料各组分之间的黏结作用变 它作为摩擦组分具有良好的热稳定性。粉煤灰还具有 差,从而摩擦因数易出现热衰退,材料磨耗增加。为 高的比热容(约800 kJ/(kg・K)),这个特性可望 了解决这些问题,通常可选择填料和纤维对其进行填 能贮存刹车片或离合器面片使用时的部分摩擦热,从 充或改性。 而避免摩擦材料过热损坏。从成本考虑,粉煤灰是一 粉煤灰是燃煤电厂的副产品,颗粒较细,具有均 种工业废渣,价格低廉,用于摩擦材料的原料可大大 匀的物相组成及稳定的工程特性。粉煤灰主要是由 降低成本。粉煤灰的这些特性 ,使其作为摩擦材 硅、铝、铁质组成,其物相组成为石英、莫来石 料的组分成为可能。本文作者研究表明粉煤灰可以作 (3A1:O,・2SiO )、大量的玻璃体及未燃完的碳等, 为良好的摩擦材料改性剂 ,但不同粉煤灰粒径对摩 这些组分均为现有摩擦材料中的常见组分材料。与摩 擦材料性能的影响至今无报道。本研究作者将采用不 擦材料中的一些金属组分相比,粉煤灰具有很低的密 同粒径的粉煤灰改性树脂基摩擦材料,考察了不同粒 径粉煤灰对树脂基摩擦材料的物理力学性能和摩擦磨 基金项目:江苏省新型环保重点实验室开放基金资助项目 损性能的影响,并通过微观测试进行进一步研究。 (AE201019);江苏高校自然科学重大基础研究项目 1实验部分 (08KJA43009);盐城工学院新人培养项目(XKY201 1028). 1.1原材料 . 收稿日期:2011—04—08 粉煤灰产自盐城市热电厂,其化学成分如表1所 作者简介:王占红(1982一),女,硕士,助教,研究方向为摩 示,将粉煤灰在4,500 mm x500 mm球磨机中粉磨0, 擦材料.E—mail:zhanhong1983@163.tom. 20,40,60,80 min,制得不同的磨细灰以备用。腰 润滑与密封 第37卷 果壳油酚醛树脂由江苏淮安市宏泰酚醛塑料有限公司 提供,丁苯橡胶(SBR)由山东高氏科工贸有限公司 提供,硫化促进剂、无机填料(如BaSO 、长石粉 等)及其他摩擦改性剂等均由盐城市伯瑞克摩擦材 料有限公司提供。 表1粉煤灰的化学成分(质量分数) Table 1 The chemical composition of the fly ash % 1.2仪器、设备 激光粒度分布仪:BT-9300H型,丹东市百特仪 器有限公司生产;高速 昆合机,SHR一10A型,江苏 张家港市博瑞克机械制造有限公司生产;定速式摩擦 试验机,D.MS型,吉林大学生产;开放式炼胶 (塑)机,x(S)K一160型,上海轻工机械股份有限 公司生产;平板硫化机,XLB—D型,上海轻工机械 股份有限公司生产;数显电热鼓风干燥箱,XMTA一 6000型,吴江华东标准烘箱有限公司生产;塑料洛 氏硬度计,XHR一150型,上海华侨仪表厂生产;扫描 电子显微镜(SEM),QUANTA 200型,美国FEI公 司生产。 1.3试样制备 将不同磨细粉煤灰与其他原料按照表2的组成配 比配料,在SHR一10A高速混合机中混合40 min,得 到混合料。再将混合料加入SK.160开炼机混炼,混 炼机前辊温度为60℃,后辊为50℃,等混合料混炼 成片状、表面光滑、各组分均匀时出片,根据GB/T 5764-98规定的试样尺寸大小剪片(摩擦磨损实验试 样尺寸:25 mm×25 mm×6 mm,弯曲性能试验试样 尺寸:55 mm×15 mm×6 mm),并装入模具,然后 在平板硫化机上预热5 rain后热压成型,表压为1 MPa,热压温度为200 oC,保压时间约10 min,在 2.5和5 rain时分别放气1次。最后,把样品放入 XMTA一6000数显电热鼓风干燥箱中于200℃的温度 下热处理10 h后取出,得到待测试样。 表2摩擦材料的配方组成(质量分数) Table 2 Formulations of the firction material % 腰果壳油酚醛树脂 l7 丁苯橡胶 l8 硫化促进剂 6 粉煤灰 5O 其他摩擦改性剂 9 1.4性能测试 采用BT-9300H型激光粒度分布仪测试粉煤灰的 粒径及比表面积。采用静水力学天平测试摩擦材料样 品的密度,精度为0.01 g。采用D—MS型定速式摩 擦试验机,按照GB/T 5764-98的要求测定试样的摩 擦因数 和磨损率,每组试样均经4次重复试验,取 4组数据中3组相近数据的平均值作为试验结果。用 LJ-5机械式拉力试验机测试抗弯强度,执行标准GB/ T 5764-98。利用XHR-150型塑料洛氏硬度计测试摩 擦材料的硬度,执行标准JB/T7409.94。用美国FEI 公司QUANTA 200型扫描电子显微镜(SEM)观察试 样磨损表面的显微形貌特征。 2分析与讨论 2.1粉煤灰粒度分析 粉磨不同时间的粉煤灰颗粒粒度及比表面积如表 3所示,其粒度分布见图1。 表3粉磨不同时间的粉煤灰颗粒粒度及比表面积 Table 3 Particle size and specific surface area offly ash with different grinding time 图1粉磨不同时间的粉煤灰颗粒粒径分布情况 Fig 1 Particle size distribution of lfy ash with diferent grinding time 从表3中数据可以看出,随着粉磨时间增加,粉 煤灰的中位径、体积平均径、面积平均径均减小,比 表面积增加。另外,图1也显示出,随着球磨时间延 长,粉煤灰的粒径范围由0~108 m逐渐缩小至0~ 40 Ixm,说明经过粉磨后的粉煤灰,粒径变得越来越 2012年第1期 王占红等:粉煤灰粒径对树脂基摩擦材料性能的影响 51 小,粒径大小相对未粉磨的更均匀些。 程中,中位径为12.21 m的粉煤灰,摩擦材料高低 为了便于叙述,下文均以中位径来区分不同粒径 温摩擦因数均较低,其磨损率波动较大,特别在高温 大小的粉煤灰。 下磨损严重,这主要是未经粉磨的粉煤灰中存在大的 2.2粉煤灰粒径对物理力学性能的影响 硬质颗粒,这些硬质颗粒散布在有机体中,可能以镶 表4给出了不同粒径粉煤灰增强的树脂基摩擦材 嵌的形式存在于基体中,虽然在某种程度上来说,其 料试样各种物理力学性能测试结果。可以看出,随着 对整个基体构架起骨架支撑作用。但在高温下,摩擦 粉煤灰粒径由12.21 m减小至4.02 m,其对应的 磨损发生时,作为黏结剂的酚醛树脂受热分解,黏结 树脂基摩擦材料密实度不断增加,这是由于添加的粉 作用下降,大颗粒极易脱离基体结构而被刮擦出来, 煤灰填充了摩擦材料内部的空隙,而且粒径越小,填 散落于摩擦表面,受摩擦盘与摩擦材料相互摩擦挤压 充效果越好。与密度不同的是,材料的硬度、抗弯强 而划伤摩擦材料表面,从而使磨损性能极不稳定。中 度和最大应变则表现出先减小后增加的变化趋势。试 位径为6.01 m的粉煤灰增强树脂基摩擦材料,其 样的硬度、抗弯强度、最大应变则是摩擦材料抵抗外 摩擦因数和磨损率波动最大,这主要是粉煤灰经短时 力作用能力大小的反映,它们应该与摩擦材料中各组 间粗磨,大颗粒作用被削弱,同时这些粗粉煤灰粒子 分间的连结程度、整体架构的强度及空隙的大小和多 大多数又难以进入摩擦材料内部的空隙,使得材料强 度降低,性能变差。随着粉煤灰中位径继续减小,其 少有关。中位径为12.21 m的粉煤灰增强的摩擦材 对应的摩擦材料试样摩擦因数和磨损率变化逐渐趋于 料试样硬度、抗弯强度和最大应变均比较高,原因是 稳定,且摩擦因数较高,磨损较低,中位径d≤4.70 未经粉磨的粉煤灰中含有很多大的硬质颗粒(其主 m的粉煤灰增强效果较好,这主要是细小粉煤灰颗 要成分为A1 O,、SiO:等) 。 ,这些硬质的大颗粒分 粒填充了树脂基摩擦材料内部的空隙,对基体结构进 布于树脂基摩擦材料中能增加摩擦材料的硬度、抗弯 行增强和填充,提高了整个结构的强度;同时,可能 强度和最大应变。当粉煤灰中位径减小为6.01 m 在摩擦表面生成了摩擦“第三体”,即有摩擦膜 时,对应的摩擦材料硬度、抗弯强度和最大应变突然 形成,这层膜对摩擦材料表面起到润滑和保护作用, 降低,这是由于球磨作用使得大颗粒突然变小所致, 防止磨损和擦伤。 大颗粒的作用被削弱。随着粉煤灰粒径继续减小,摩 擦材料的硬度、抗弯强度和最大应变又逐渐变大,这 是由于粉煤灰颗粒越来越细,更有助于填充摩擦材料 内部的空隙,或者与树脂的相容性更好,促使材料的 强度提高。 表4不同粒径粉煤灰增强树脂基 摩擦材料的物理力学性能 温度 ℃ Table 4 PhysicM and mechanicM prope ̄ies of (a)Friction coefifcient the resin.based friction m ̄efiMs filled 昌 with different particle size fly ash 弓 鲁 一 × 褂 鞲 擞 温度 ℃ (b)Wear rate 图2不同粒径粉煤灰增强树脂基摩 擦材料摩擦磨损性能变化曲线 Fig 2 Vat.ion of firction and wear pmpe ̄ies 0f t}Ie resin—based friction materials 2.3粉煤灰粒径对摩擦磨损性能的影响 iflled with diferent particle size fly ash 图2(a),(b)分别是不同粒径粉煤灰增强树 脂基摩擦材料摩擦因数和磨损率随摩擦温度升高时的 2.4 显微结构分析 变化曲线。可以看出,在100—300℃的整个升温过 图3为不同粒径粉煤灰增强树脂基摩擦材料磨损 润滑与密封 第37卷 (3)3种磨损方式相比,油润滑条件的减磨效果 最为突出,水润滑条件的减磨效果其次,氧化铝陶瓷 试样最适合在油润滑条件下使用。 参考文献 【1】Miyazaki H,Yoshizawa Y,Hirao K.Preparation and mechanical properties of 10 vo1%・-ziruconia/alumina composite with fine-- scale fibrous microstructure by CO—extrusion[J].Mater Lett, (a) 2004,58:1410—1414. 【2】陈玮,赵清杰,马艳红,等.细观力学理论在氧化铝陶瓷材料 中的应用进展[J].机械强度,200#,26(z1):89—92. 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Tribology International,2006,39:191—197. 在液体润滑状态下,由于磨损量小,本身产生的 【5】Zum Gahr K H,Bundschuh W,Zimmerlin B.Effect ofgrain size 磨屑就很少,而润滑液体又对对磨表面产生了清洁冲 onfriction and slidingweal"ofoxide ceramics[J].Wear,1993, 洗的作用,带走了大部分的磨屑,因此陶瓷材料表面 162/163/164:269—279. 的磨粒磨损作用也大为减轻,仅存在极轻微的磨粒 【6】Xu Lihua,Xie Zhipeng,Gao Lichun,et 1a.Synthesis,evaluation and characterization of laumina ceramics with elongated grains 磨损。 [J].Ceramics Internaitonal,2005,31:953—958. 3结论 (1)液体润滑剂的加入使得氧化铝陶瓷磨损量 【7】D ̄gan C P,Hawk J A.Role of composition and microstmcture inthe abrasivewe/ix ofhish-alumina ceramics[J].Wera,1999, 大幅度降低。首先,液体在磨损过程中带走了大量的 225—229:1050—1058. 磨屑,从而减少了磨粒磨损效果;其次,液体在磨损 【8】Cho S J,Moon H,Hockey B J.The transiiton from mild to se— 过程中在摩擦界面形成了一层润滑膜,降低了表面切 vere wear in alumina during sliding[J].Acta Metal Mater, 应力,从而降低了表面断裂倾向,降低了磨损量。 1992,4o(1):185—192. (2)氧化铝陶瓷材料干摩擦条件下的磨损机制 【9】王洪发.金属耐磨材料的现状与展望[J].铸造,2000,49 为大量的脆性剥落和大量的磨粒磨损,在水润滑条件 (z1):577—581. 下为较少的脆性剥落和轻微的磨粒磨损,在油润滑条 Wang Honda.Present status nad outlok of metla weal"resistant 件下为很少的脆性剥落和极微的磨粒磨损。 materilas[J].Foundry,2000,49(z1):577—581. (上接第52页)The production and application of lfy ash search,2008,22(1):31—36. products[J].Brick&Tile Wodd,2008(6):40—43. 【7】凡艳丽,吕亚非.汽车制动过程中摩擦层的作用和形成机制 【5】王占红,侯贵华.粉煤灰增强树脂基复合材料力学性能和摩 [J].润滑与密封,2007,32(6):125一t28. 擦学性能的研究[J].润滑与密封,2009,34(4):46—50. Fan Yanli,Lv,Yafei.Role and formation mechanism of firction Wang Zhanhong.Hou Guihua.Study on mechanical and tribo- layer during braking[J].Lubrication Engineering,2007,32 lo ̄cla properties of resin—based composites filled with fly ash (6):125—128. 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